基于鉻層與基體結合部疲勞損傷的轉管機槍身管壽命預測研究

徐寧， 吳永海， 王永娟， 徐誠

(1.南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094; 2.南京理工大學 格萊特納米科技研究所， 江蘇 南京 210094；3.淮陰工學院 機電工程實驗教學中心， 江蘇 淮陰 223003)

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基于鉻層與基體結合部疲勞損傷的轉管機槍身管壽命預測研究

徐寧1,2， 吳永海1,3， 王永娟1， 徐誠1

(1.南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094; 2.南京理工大學 格萊特納米科技研究所， 江蘇 南京 210094；3.淮陰工學院 機電工程實驗教學中心， 江蘇 淮陰 223003)

為預測身管壽命，采用熱- 固耦合場理論、沖擊疲勞理論和疲勞累積損傷理論，提出基于身管鉻層與基體結合部疲勞損傷的身管壽命預測方法。以3管轉管機槍的身管壽命為例，建立有限元模型，計算鉻層與基體結合面的耦合應力，預測身管壽命，理論計算與試驗結果進行了對比，數據基本吻合；分析身管鍍鉻層厚度對身管壽命的影響。研究結果表明：鉻層與基體結合部的疲勞損傷壽命基本決定了身管的壽命，證明所提壽命預測方法是可行的；適當增加鍍鉻層厚度，可以提高身管壽命。

兵器科學與技術； 自動武器； 身管； 耦合應力； 壽命； 疲勞； 預測模型

0　引言

自動武器發射時，身管內膛承受復雜、劇烈的熱流脈沖和膛壓載荷，載荷具有持續時間短、幅度大等特點。身管內膛薄層，特別是鉻層的溫度梯度、應力遠高于其他部位的應力。發射時在內彈道時期，內膛表面至內層0.92 mm左右的厚度范圍內，溫度差值和應力差值分別達到360 K和600 MPa，應力的幅值變化達到600～800 MPa，內部應力最高值達到820 MPa；在后效期和間隔期，身管內膛薄層的溫度和應力都迅速下降[1-4]。連續射擊時，身管內壁薄層承受如此劇烈的持續熱和膛壓載荷作用，內膛薄層特別是鉻層必然發生疲勞破壞，疲勞裂紋萌生和擴展將首先出現在接合力薄弱的兩種金屬接觸面——鉻鋼結合面部位，疲勞破壞最終將導致身管鉻層的脫落，身管失效、壽終。身管是自動武器的核心部件之一，同時也是自動武器中壽命最短的零件之一。在提高武器壽命的研究中，有關身管壽命的研究一直占有重要地位，其中大口徑轉管機槍的身管壽命問題尤為突出。目前，國內外對身管壽命預測作了大量研究，例如：基于隨機有限元法和身管熔化燒蝕理論模型[5]、基于灰色系統理論[6]等，但是國內外關于鉻層疲勞破壞對身管壽命影響尚未見報道。

本文運用傳熱與變形(簡稱熱- 固或熱- 彈)耦合場理論、沖擊疲勞理論和疲勞累積損傷理論，研究轉管機槍的身管在高頻循環動態熱載荷和瞬態膛壓載荷耦合作用下基于鉻層與基體結合部疲勞損傷的身管壽命預估方法，分析身管的鉻層厚度對壽命的影響，為身管結構設計提供理論依據。

1　轉管機槍身管數學模型

根據熱力學第一定律[7-8]，轉管機槍身管單元體熱量的平衡關系為

(1)

(2)

式中：λ、G為Lame常數；ur為徑向變形；uz為軸向變形；r為半徑。

2　轉管機槍鍍鉻身管有限元建模及熱- 固耦合應力計算

2.1模型簡化及網格劃分

身管是轉管機槍的核心零件之一，在發射過程中受到高溫、高壓及高速流動的火藥燃氣及彈帶的熱的、化學的及機械的作用，工作狀況很惡劣，若要對其進行完全真實的模擬，過于復雜。因此，在實際問題的研究中，對問題進行了簡化處理：1)忽略彈頭在運動過程中對身管的擠進力；2)在身管的線膛部分，熱- 固耦合計算不考慮膛線的影響，在幾何尺寸上，以陽線尺寸為準；3)忽略身管重力的影響；4)身管尾部受軸向約束；5)忽略身管定位面、孔、螺紋等局部細節的影響。

身管由鍍鉻層和鋼本體構成，根據其結構和傳熱特點，建模時將其作為雙層管處理。為分析鉻鍍層對身管溫度和應力的影響，同時考慮到耦合分析中身管內壁薄層存在較大的溫度梯度，對內膛表面采用加密網格劃分，有限元模型采用HyperMesh工具生成，采用六面體單元劃分網格，如圖1為3管轉管武器的三維有限元模型，共1 082 032個節點, 991 038個單元。材料模型考慮了溫度對材料熱物理性能和力學性能的影響。為全面評價身管的壽命情況，綜合反映身管的熱和應力狀況，沿身管軸線取3個典型截面進行數據分析，其中A截面為膛線起始處截面，距身管尾端面127.5 mm，B截面為最大膛壓截面，距身管尾端面252 mm，C截面在膛口區域，距身管尾端面1 325.5 mm.

圖1　3管有限元模型Fig.1　　　　Finite element model of rotating barrels machine gun with 3 barrels

2.2邊界條件

2.2.1內壁邊界條件

槍彈發射過程中，身管主要受到火藥燃氣瞬態壓力和瞬態熱沖擊作用。身管壁與火藥氣體熱交換的主要形式為強迫對流換熱，輻射換熱通過對火藥氣體強迫對流系數的修正來進行補償[9-12]。因此，內膛邊界條件為

r=r1，

(3)

式中：T(z,r1)為膛內流場溫度函數，f(z,t)為內膛壓力函數，這兩個函數可由內彈道確定；T0為環境溫度；hi為火藥氣體強迫對流系數；g(z,t)為內膛流場溫度函數。

2.2.2外壁邊界條件

當武器有多根身管時，需要考慮外壁的邊界條件。武器發射時，空氣橫掠通過身管外壁，空氣在身管外壁上形成流動邊界層，沿與身管軸線垂直的方向流動[11-12]。身管外壁以強迫對流和輻射方式放熱，其外壁邊界條件為

r=r2，

(4)

式中：ho為外壁氣流對流系數；ε為輻射率(黑度)；σ為斯蒂芬- 波爾茲曼常數；A為輻射面積。

2.3動態熱- 固耦合應力計算

轉管機槍發射時，將熱載荷和膛壓載荷同時施加給槍膛內表面，加載見圖2所示，使用動態耦合應力計算法，可以得到身管應力情況。

圖2　單發單管邊界條件Fig.2　　　　The boundary conditions of single barrel during single shot

圖3為連續射擊時，鉻鋼結合面上的Von Mises應力變化規律。從第2發開始，由熱載荷產生的應力峰值已經超過膛壓載荷產生的應力峰值，熱載荷居于主導地位。從第4發開始，由于殘余熱應力的存在，膛壓載荷的主要作用抑制熱載荷產生的應力，繼續連續發射，會出現類似現象。

圖3　鉻鋼結合面的Von Mises應力(A截面)Fig.3Von Mises stress on chromium steel surface (Section A)

3　身管壽命預測模型

3.1身管鉻鋼結合面的疲勞方程

身管鉻鋼結合面的疲勞可以看作熱和膛壓載荷共同作用下的低周疲勞，其壽命可以用Manson-Coffin疲勞方程[13-14]和Morrow方程等[15]，可得當平均應力σm≠0和平均應變εm≠0時，身管疲勞方程為

(5)

材料在低周循環加載下，產生循環硬化或軟化，其循環應力- 應變關系與單調加載不同。低周循環加載時，剛開始，應力- 應變關系隨循環數而改變，但到達一定循環次數后，材料對變形的抗力趨于穩定。由于循環穩定階段占疲勞壽命的大部分，所以通常以穩定的循環應力- 應變曲線來代表材料的循環應力、應變性質，其表達式為

(6)

式中：Δσ為應力幅；n′為循環應變硬化指數，n′=0.1～0.2.

3.2結構局部應力、應變計算

局部應力、應變近似計算的典型方法是Neuber法，為提高疲勞壽命預測精度，利用修正的Neuber公式[16-17]計算構件局部應力、應變。在循環加載過程中，修正的Neuber公式可寫為

(7)

3.3疲勞累積損傷理論

Miner線性疲勞累積損傷理論具有很好可驗性和可行性，在工程上得到廣泛應用。設加載歷史由δ1，δ2，…，δl等l個不同的應力水平構成，各應力水平下的疲勞壽命依次為N1，N2，…，Nl，各應力水平下的循環次數依次為n1，n2，…，nl，則零件的疲勞壽命[18-19]為

(8)

4　3管轉管機槍的身管壽命預測

基于鍍鉻3管轉管機槍的身管有限元模型，首先計算身管鉻層與基體結合面上每發彈的應力峰值、谷值及平均值，在此基礎上，采用本文所建的身管鉻層與基體結合部疲勞壽命的壽命模型推斷身管壽命，并分析了身管鍍層厚度對壽命的影響。所采用的射擊規范為：每組發射102發：連射18發，停5 s，連射18發，停5 s，連射33發，停5 s，連射33發，停4 min，循環射擊。

4.13管轉管機槍的身管壽命預測結果及試驗結果比較

4.1.1計算結果

圖4　鉻鋼結合面(A截面)計算結果Fig.4　　　　Calculated results of Section A of chromium steel interface

利用有限元模型，可以分別計算出身管3個典型截面A、B、C的每發Von Mises應力峰值、谷值和平均值，典型計算結構如圖4為鉻鋼結合面(A截面)的應力情況。本文研究的槍管材料是高強度合金鋼，經過膛線冷精鍛加工、熱處理、表面鍍鉻和表面激光強化后，材料屈服強度達1 360 MPa，抗拉強度達1 620 MPa. 由圖4(a)和圖4(b)可以看出，連續射擊時，鉻鋼結合面上的每發Von Mises應力峰值、谷值和平均值均大幅上升。3管轉管機槍連射18發，對應于每個身管6發連續發射，每發應力幅值持續上升；3管連射33發，對應于每個身管11連續發射，應力幅值呈現先單邊上升，在第7發時達到頂點，隨后每發應力幅值緩慢下降的規律。與應力規律對應的是，連發時，隨著平均應力、應力幅的大幅上升，身管等幅載荷對應的疲勞壽命迅速衰減，單個身管6發連續發射時，對應第6發彈的身管等幅載荷的疲勞壽命較第1發彈下降53.8%，單個身管11發連續發射時，對應第11發彈的身管等幅載荷下的疲勞壽命較第1發彈下降65%，見圖4(d)。由圖4(c)可以看出，射擊間隔對每發身管等幅載荷下的疲勞壽命影響很大。經過5 s停射散熱后，每發身管等幅載荷下的疲勞壽命迅速回升，對應第7發彈的身管等幅載荷下的疲勞壽命為6 700發，僅與第1發彈相差1.3%. 經4 min停射散熱后，第2組(至68發)、第3組(至102發)與第1組(至34發)在每發槍管等幅載荷下疲勞壽命均相差無幾。

采用疲勞累計損傷理論及壽命預測規范[20]，預測身管3個典型截面A、B、C的疲勞壽命計算結果，如表1所示。從表1中可以看出，A截面的壽命相對較小，這與A截面所在的位置(膛線起始區域)有關，由于A截面的壁厚較大，在強迫對流散熱的工況下其熱量存儲在壁內，不易散失。另外，該截面的熱載荷較大，連續射擊時其平均應力和應力幅值均較大。

4.1.2身管壽命試驗驗證

試驗結果見表2，從中可以看到，當身管發射累計1 700發開始，彈頭出槍口的初速呈明顯的直線下降趨勢，到3 000發時，初速的下降率已達到5.27%～6.09%，2支槍管的平均壽命為3 535發。由于槍管壁面承受多次劇烈的火藥氣體脈沖熱和膛壓載荷作用，“鉻層與鋼體結合部位” 疲勞破壞，導致槍管鉻層脫落，膛線破壞，橫彈產生，故試驗的壽終判據“橫彈率”與“鉻層與鋼體結合部位” 疲勞壽命直接相關。采用本文所提出的壽命預測放大的計算結果與試驗結果相比，誤差小于5%，證實了本文所建的模型和方法是正確、可行的。

表1　槍管截面壽命

表2　3管轉管機槍壽命試驗結果

4.2鉻層厚度的影響分析

為研究鉻層厚度對槍管壽命的影響，設定3種方案，分別取鉻層厚度為0.15 mm、0.25 mm、0.41 mm進行對比分析，計算結果見圖5和表3. 從圖5可以看出，鉻層厚度對于身管鉻鋼結合面上的每1發彈Von Mises最大應力、Von Mises平均應力和壽命有著顯著影響。鉻層厚度越大，每1發彈Von Mises最大應力、Von Mises平均應力越小，每1發彈的壽命越高。射擊中，第1個6連發中的第6發彈時，鉻層厚度為0.15 mm的方案每1發彈壽命比鉻層厚度為0.41 mm的方案低39.7%；第34發彈時，鉻層厚度為0.15 mm的方案每1發彈壽命比鉻層厚度為0.41 mm的方案低32.1%；第102發彈時，鉻層厚度為0.15 mm的方案每1發彈壽命比鉻層厚度為0.41 mm的方案低30.5%. 由表3可以看出，鉻層厚度為0.41 mm的方案身管總壽命比鉻層

表3　鉻層厚度不同時的槍管總壽命(A截面)

圖5　A截面的每發彈最大應力、平均應力及壽命Fig.5　　　　The comparison of max stress, average stress and lifetime of Section A during each shot

厚度為0.25 mm的方案高30.2%. 綜上所述，鉻層厚度的增加對于提高身管總壽命十分有利，在工藝條件允許的情況下，應合理增加鉻層厚度。

5　結論

本文建立了身管的溫度和應力耦合計算模型，提出了一種基于身管鉻層與基體結合部疲勞壽命的身管壽命預測模型，研究了轉管機槍身管在熱載荷和膛壓載荷耦合作用下的身管壽命預測問題，理論計算與試驗結果對比說明，鍍鉻層與基體結合部的疲勞壽命基本決定了身管的壽命，驗證了本文模型的正確性，為轉管機槍槍管壽命推斷提供了理論與方法。本文也分析了鉻層厚度對3管轉管機槍的身管壽命影響，分析結果表明，在工藝條件許可的條件下，適當增加鉻層厚度，可以提高身管壽命。

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Barrel Life Prediction of Rotating Barrels Machine Gun Based on Fatigue Damage of Chromium-steel Interface

XU Ning1,2, WU Yong-hai1,3, WANG Yong-juan1, XU Cheng1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China; 2.Herbert Gleiter Institute of Nanoscience, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China; 3.Experimental-teaching Center of Mechanical and Electrical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huaiyin 223003, Jiangsu,China)

To predict the life of a gun barrel, the theories of thermal-solid coupled stress, the impact fatigue and fatigue cumulative damage are used to derive the life prediction of a gun barrel based on fatigue damage of chromium-steel interface. A 3D finite element model for a 3-barrels rotating machine gun is built to calculate the coupling stress of chromium-steel interface. The barrel life of the rotating barrels machine gun is estimated. The estimated result is basically consistent with the experimental result. The analysis results show that the fatigue damage life at chromium-steel interface almost determines the life of the gun barrel. The effect of the thickness of chromium coating on the life of gun barrel is studied. The research result shows that the life of gun barrel can be improved by increasing the thickness of chromium coating properly.

ordnance science and technology; automatic weapon; gun barrel; coupling stress; life; fatigue; prediction model

2016-01-07

國家自然科學基金項目(51575279)

徐寧(1982—)，男，博士研究生。E-mail:njustxn@163.com；

王永娟(1972—)，女，教授，碩士生導師。E-mail:13951643935@139.com

TJ202

A

1000-1093(2016)10-1926-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.10.020